CN111635241B - 一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法 - Google Patents

一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，包括以下步骤：称取碳化硅、碳纤维和硅微粉，真空烘干；碳纤维进行化学气相沉积处理，使碳纤维的表面形成无定形碳；碳化硅进行化学气相沉积处理，使碳化硅的表面形成硅薄膜；硅微粉、碳纤维和碳化硅混合均匀，获得混合粉；设置成形参数及扫描策略，将结构/功能件模型输出为STL格式并导入激光选区熔化成形设备；将混合粉通入激光选区熔化成形设备，在保护气的气氛下进行结构/功能件成形，实现碳化硅基陶瓷结构/功能件的增材制造。本发明安全高效，制造的结构/功能件致密度高且组织均匀，可实现近净尺寸成型，无需后处理。

Description

一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及了一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法。
背景技术
增材制造技术的出现彻底颠覆了传统的减材制造思维，其能够实现任意复杂零件的快速制造；其利用计算机辅助设计，通过建模软件设计结构直接导出STL格式进行打印，可以实现无模快速成型。其中，选择性激光熔化(SLM)或者直接激光成型(DLS)能直接成型出高致密度、力学性能良好的金属零件。
目前，氧化铝等部分陶瓷材料也能通过SLM(或DLS)直接成型，但是针对碳化硅陶瓷粉末高温直接升华的特点，无法通过SLM(或DLS)工艺直接利用碳化硅等粉末成型出碳化硅基陶瓷结构/功能件。目前传统的陶瓷材料的成型工艺有压制成型、直写成型、流延成型、注浆成型、等静压成型、凝胶注模等；其中，凝胶注膜因能实现近净尺寸成型，保证陶瓷坯体结构与组成均匀而被广泛研究。一般选择目标陶瓷粉末或其前躯体来进行凝胶注模，为保证浆料的流变性，浆料的固相含量不能过高，导致烧结后陶瓷的致密度一般较低，需要致密化处理。对碳化硅陶瓷其致密化处理方式一般有两种，一是多次浸渗聚碳硅烷裂解，二是浸渍酚醛树脂裂解之后进行渗硅处理；其中，前一种需要耗费大量的时间多次重复，后一种会在材料内残留有大量的硅，使得材料性能变差。
综上，亟需一种碳化硅基陶瓷结构/功能件的新的增材制造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的增材制造方法，安全高效，制造的结构/功能件致密度高且组织均匀，可实现近净尺寸成型，无需后处理。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1，称取碳化硅、碳纤维和硅微粉，真空烘干；
步骤2，将真空烘干的碳纤维进行化学气相沉积处理，使碳纤维的表面形成无定形碳；
步骤3，将真空烘干的碳化硅进行化学气相沉积处理，使碳化硅的表面形成硅薄膜；
步骤4，将步骤1真空烘干的硅微粉、步骤2处理后的碳纤维和步骤3处理后的碳化硅混合均匀，获得混合粉；所述混合粉中，按质量份数计，碳化硅：硅微粉：碳纤维＝(0.16～0.24)：(0.056～0.084)：(0.024～0.036)；
步骤5，设置成形参数及扫描策略，将结构/功能件模型输出为STL格式并导入激光选区熔化成形设备；将步骤4获得的混合粉通入激光选区熔化成形设备，在保护气的气氛下进行结构/功能件成形，实现碳化硅基陶瓷结构/功能件的增材制造。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，碳化硅粒径为10～50微米；硅微粉粒径为1～40微米；碳纤维为短碳纤维，目数为200～500目。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，真空烘干时，烘干温度设置为160～200℃，真空烘干3～5h。
本发明的进一步改进在于，步骤2具体包括：将真空烘干的碳纤维放入化学气相沉积炉中，通入氮气保护，升温至450～500℃；关闭氮气，以2～5L/min的速率通氢气，450～500℃下保温1～3h，关闭氢气；以6～10L/min的速率通氮气，升温至650～700℃；通入甲烷和氢气，保温1～3h，碳纤维表面形成无定形碳。
本发明的进一步改进在于，步骤3具体包括：将真空烘干的碳化硅放入气相沉积炉中，通入氮气保护，加热到100～130℃，1～2h后通入硅烷气体升温至380～410℃，保温6～8h；其中，升温速率为5～10℃/min，保持硅烷气压为9～11kPa，在碳化硅表面形成硅薄膜。
本发明的进一步改进在于，步骤5中，所述成形参数包括：打印层厚、扫描速度、扫描策略、扫描间距和激光功率；其中，打印层厚为30um～100um；扫描速度为300mm/s～1000mm/s；扫描策略为岛式扫描方式；扫描间距为50μm～60μm；激光功率为200W～800W。
本发明的进一步改进在于，步骤5中，还包括：将混合粉通入激光选区熔化成形设备前，对混合粉及成形基板进行预热处理。
本发明的进一步改进在于，步骤5中的预热处理包括：对混合粉进行真空预热，温度为60℃～80℃，时间为3h～5h。
本发明的进一步改进在于，步骤5中的预热处理包括：
对成形基板进行预热，基板预热温度为80℃～300℃；其中，成形基板材质为致密碳化硅。
本发明的进一步改进在于，步骤5中，通入的保护气体为氩气，用于将氧气含量降低到30ppm以下。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的方法是一体化打印成型方法，利用激光选区熔融设备直接实现微硅粉和碳纤维的反应烧结成型碳化硅基复合材料的增材制造。相对于传统的加工制造方法，本发明的方法便捷高效；相对于陶瓷的压制成型方式，本发明在保证材料致密性的同时又能实现复杂结构的近净成形；相对于目前最广泛的陶瓷的凝胶注膜方式，本发明在保证制造复杂结构的能力的同时，能够实现一次成型，无需后续复杂的材料处理过程。本发明中，利用SLM(或DLS)设备在保护气体环境下使微硅粉熔融，熔融态的硅一方面充当粘结剂，一方面和碳纤维反应生成较高致密度的碳化硅，未反应的碳纤维在结构内均匀分布实现增韧功能。
本发明中，碳化硅粒径为10～50微米，提供基体介质；硅微粉粒径为1～40微米，提供硅源；碳纤维为短碳纤维，目数为200～500目，提供碳源，使得微观尺寸与硅微粉保持一致。
本发明中，对碳化硅和短碳纤维进行了表面处理，在激光熔融时，碳化硅在表面液硅的作用下能更好的粘合在一起；碳纤维表面形成了无定型碳，使得碳纤维能更好的吸附液硅，并与液硅反应，提高了界面接触质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法的流程示意框图；
图2是本发明实施例中，激光选区熔融的示意图；
图3是本发明实施例中，利用三点测弯法测得弯曲强度曲线的示意图；
图中，1为激光扫描器，2为激光保护镜，3为成型腔，4为送粉系统，5为碳化硅基板，6为结构/功能件，7为混合粉末，8为铺粉系统，9为保护气体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1，称取一定量的碳化硅粉末、碳纤维和微硅粉，在真空烘干机中烘干备用；
步骤2，对碳纤维进行化学气相沉积，使其表面形成一层无定形碳；
步骤3，对碳化硅进行化学气相沉积，使其表面形成一层硅薄膜；
步骤4，将处理后的粉末按照一定配比混合，将混合粉末在混粉机中混合均匀后取出备用；
步骤5，设置成形参数及扫描策略，将结构/功能件模型输出为STL格式并导入激光选区熔化成形设备；
步骤6，对混合粉末及成形基板进行预处理；
步骤7，将步骤6预处理后的材料装入激光选区熔化成形设备，在保护气的气氛下进行零件成形。
优选的，步骤1中所述的碳化硅粒径为10～50微米，提供基体介质；硅微粉粒径为1～40微米，提供硅源；碳纤维为短碳纤维，目数为200～500目，筛分时采用200～500目筛网进行筛分，提供碳源，使得微观尺寸与硅微粉保持一致。
优选的，步骤1中所述的烘干温度设置为160～200℃，真空烘干3～5h后打开真空阀，气压正常后取出冷却至室温。
步骤2中气相沉积方法为：将真空烘干的碳纤维放入化学气相沉积炉中，通入氮气保护，升温至450～500℃；关闭氮气，以2～5L/min的速率通氢气，450～500℃下保温1～3h，关闭氢气；以6～10L/min的速率通氮气，升温至650～700℃；通入甲烷和氢气，保温1～3h，碳纤维表面形成无定形碳。
步骤3中气相沉积方法为：将真空烘干的碳化硅放入气相沉积炉中，通入氮气保护，加热到100～130℃，1～2h后通入硅烷气体升温至380～410℃，保温6～8h；其中，升温速率为5～10℃/min，保持硅烷气压为9～11kPa，在碳化硅表面形成一层均匀的硅薄膜。
优选的，步骤4中混合粉末在混粉机中混合时间为1～2h。所述混合粉中，按质量份数计，碳化硅：硅微粉：碳纤维＝(0.16～0.24)：(0.056～0.084)：(0.024～0.036)。
步骤5中，所述的成形参数包括打印层厚、扫描速度、扫描策略和激光功率；其中，打印层厚根据混合粉末的粒径确定，为30um～100um；扫描速度和激光功率根据复合粉体的能量密度确定，扫描速度为300mm/s～1000mm/s，激光功率为200W～800W，扫描策略为岛式扫描方式，扫描间距为50um～60um。
步骤6中，预处理包括成形前对粉末进行真空预热，温度为60℃～80℃，时间为3h～5h；对碳化硅基板进行预热，温度为80℃～100℃。
步骤7中，通入的保护气体为氩气，将氧气含量降低到30ppm以下。
综上所述，本发明公开的一种基于选区激光熔融成形的碳化硅基陶瓷结构/功能件的零件制造方法，包括：称取碳化硅粉末、短碳纤维和硅微粉，在真空烘干机中烘干，在混粉机中混合均匀，然后将该粉末放入SLM(或DLS)设备，设置好参数和成形策略后进行选区激光熔化成形制造零件。本发明的一体化打印成型方法，利用激光选区熔融设备直接实现了碳化硅基陶瓷结构/功能件的成型。相对于传统的加工制造方法，便捷高效；相对于陶瓷的压制成型方式，则在保证了材料致密性的同时又能实现复杂结构的近净成形；相对于目前最广泛的陶瓷的凝胶注膜工艺，在保证了制造复杂结构的能力的同时又实现了一次成型，没有后续复杂的材料处理过程。利用SLM(或DLS)设备在保护气体环境下使微硅粉熔融，熔融态的硅一方面充当粘结剂，一方面和碳纤维反应生成较致密的碳化硅，未反应的碳纤维在结构内均匀分布实现增韧功能。特别的，对碳化硅和短碳纤维进行了表面处理，在激光熔融时，碳化硅在表面液硅的作用下能更好的粘合在一起；碳纤维表面形成了无定型碳，使得碳纤维能更好的吸附液硅，并与液硅反应，提高了界面接触质量。
本发明利用碳化硅、碳纤维和微硅粉打印出来的零件具有优异的性能：组织均匀，韧性好，强度高，界面接触质量好等，而且该方法可以应用于多种碳化硅基陶瓷结构/功能件的打印需求，适用于实际生产。
请参阅图2，本发明实施例的一种碳化硅基陶瓷结构/功能件的增材制造装置，用于实现本发明的碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，包括：
激光扫描器1，用于提供加工所需要的热源；
激光保护镜2，用于防止粉体干扰激光扫描器1；
成型腔3，提供粉体加工的场所，其中，所述成型腔设置有进气口和出气口，用于通入和通出保护气体9；
送粉系统4，用于将混合粉末7送入成型腔3；
碳化硅基板5，用于粉体加工成型的基板；
结构/功能件6，最终实现碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件；
混合粉末7，真空烘干后的碳化硅、碳纤维和硅微粉的混合粉末；
铺粉系统8，设置于成型腔3内，用于将粉体逐层铺平；
保护气体9，用于保护粉体，防止高温下碳纤维被氧化，硅微粉被氧化或氮化。
具体实施例
本发明实施例的一种利用碳化硅、微硅粉、碳纤维制造碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1，称取碳化硅粉末、短碳纤维和微硅粉，分别在真空烘干机中烘干；
步骤2，对碳纤维进行化学气相沉积，使其表面形成一层无定形碳；
步骤3，对碳化硅进行化学气相沉积，使其表面形成一层硅薄膜；
步骤4，将处理后的粉末按照按质量份数计，碳化硅：硅微粉：碳纤维＝0.24：0.056：0.036的配比混合，将混合粉末在混粉机中混合均匀后取出备用；
步骤5，设置成形参数及扫描策略，将结构/功能件模型输出为STL格式并导入激光选区熔化成形设备；
步骤6，对混合粉末及成形基板进行预处理；
步骤7，将步骤2预处理后的材料装入激光选区熔化成形设备，在保护气的气氛下进行零件成形。
其中，步骤1中所述的碳化硅粒径为50微米；硅微粉粒径为40微米；碳纤维为短碳纤维，目数为400目，筛分时采用400目筛网进行筛分。
步骤1中所述的烘干温度设置为200℃，烘干3h后打开真空阀，气压正常后取出冷却至室温。
步骤2中气相沉积方法为：将碳纤维放入化学气相沉积炉中，通入氮气保护，升温至450℃，关闭氮气，通氢气2～5L/min，450℃下保温1h，关闭氢气，通氮气10L/min，升温至650℃。之后通入甲烷和氢气，保温1h。碳纤维表面形成一层无定形碳。
步骤3中气相沉积方法为：将碳化硅放入气相沉积炉中，通入氮气保护，加热到120℃，1h后通入硅烷气体升温至390℃后保温8h，升温速率为5℃/min，硅烷气压为10kPa，在碳化硅表面形成一层均匀的硅薄膜。
步骤4中所述的粉末配比为：碳化硅为50％，硅微粉为20％，碳纤维为30％；
步骤4中混合粉末在混粉机中混合时间为1h。
步骤5中，所述的成形参数包括打印层厚、扫描速度、扫描策略和激光功率；其中，打印层厚为80um；扫描速度为1000mm/s，激光功率为200W，扫描策略为岛式扫描方式，扫描间距为50um。
步骤6中，预处理包括成形前对粉末进行真空预热，温度为80℃，时间为3h；对碳化硅基板进行预热，温度为100℃。
步骤7中，通入的保护气体为氩气，并将氧气含量降低到30ppm以下。
本发明实施例中，加工出底面为10mmⅹ60mm，高度为10mm的矩形试样，大部分试样结构均匀，裂纹少，韧性好，强度高，界面接触质量好。利用三点测弯法测得弯曲强度曲线见图3，可见弯曲强度可达到200MPa以上。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，称取碳化硅、碳纤维和硅微粉，真空烘干；
步骤2，将真空烘干的碳纤维进行化学气相沉积处理，使碳纤维的表面形成无定形碳；
步骤3，将真空烘干的碳化硅进行化学气相沉积处理，使碳化硅的表面形成硅薄膜；
步骤4，将步骤1真空烘干的硅微粉、步骤2处理后的碳纤维和步骤3处理后的碳化硅混合均匀，获得混合粉；所述混合粉中，按质量份数计，碳化硅：硅微粉：碳纤维＝(0.16～0.24)：(0.056～0.084)：(0.024～0.036)；
步骤5，设置成形参数及扫描策略，将结构/功能件模型输出为STL格式并导入激光选区熔化成形设备；将步骤4获得的混合粉通入激光选区熔化成形设备，在保护气的气氛下进行结构/功能件成形，实现碳化硅基陶瓷结构/功能件的增材制造。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤1中，碳化硅粒径为10～50微米；硅微粉粒径为1～40微米；碳纤维为短碳纤维，目数为200～500目。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤1中，真空烘干时，烘干温度设置为160～200℃，真空烘干3～5h。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤2具体包括：将真空烘干的碳纤维放入化学气相沉积炉中，通入氮气保护，升温至450～500℃；关闭氮气，以2～5L/min的速率通氢气，450～500℃下保温1～3h，关闭氢气；以6～10L/min的速率通氮气，升温至650～700℃；通入甲烷和氢气，保温1～3h，碳纤维表面形成无定形碳。
5.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤3具体包括：将真空烘干的碳化硅放入气相沉积炉中，通入氮气保护，加热到100～130℃，1～2h后通入硅烷气体升温至380～410℃，保温6～8h；其中，升温速率为5～10℃/min，保持硅烷气压为9～11kPa，在碳化硅表面形成硅薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤5中，所述成形参数包括：打印层厚、扫描速度、扫描策略、扫描间距和激光功率；其中，打印层厚为30um～100um；扫描速度为300mm/s～1000mm/s；扫描策略为岛式扫描方式；扫描间距为50μm～60μm；激光功率为200W～800W。
7.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤5中，还包括：将混合粉通入激光选区熔化成形设备前，对混合粉及成形基板进行预热处理。
8.根据权利要求7所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤5中的预热处理包括：
对混合粉进行真空预热，温度为60℃～80℃，时间为3h～5h。
9.根据权利要求7所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤5中的预热处理包括：
对成形基板进行预热，基板预热温度为80℃～300℃；其中，成形基板材质为致密碳化硅。
10.根据权利要求1所述的一种碳化硅陶瓷基复合材料结构/功能件的增材制造方法，其特征在于，步骤5中，通入的保护气体为氩气，用于将氧气含量降低到30ppm以下。
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